La Luz

El año 2015 ha sido declarado por la ONU como el año internacional de la luz.

Mediante dicha decisión la ONU reconoce la importancia que la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz tienen en la vida de los ciudadanos del mundo, en el desarrollo de la sociedad y en los retos a los que se enfrenta la Humanidad. La luz juega un papel fundamental en nuestra vida cotidiana. Ha revolucionado, entre otros aspectos, la medicina o la manera de fabricar productos y ha posibilitado el desarrollo de Internet.

El conocimiento científico de la luz empieza en los estudios de Isaac Newton y otros científicos en el siglo 18 que descubrieron que la luz blanca se podía descomponer en un espectro de muchos colores mediante, por ejemplo un prisma. También se observó que si se colocaba un termómetro debajo de la luz roja descompuesta por un prisma, el termómetro indicaba presencia de calor es esta zona. Esto era una indicación que habían radiaciones más allá del rojo que el ojo humano no alcanzaba a percibir.  A esta radiaradiación se denominó  “infra-roja”.

Otra característica de la luz descubierta desde el siglo 18 era que la luz presentaba comportamiento ondulatorio  similar al sonido. Cuando la luz pasa por un borde muy afilado o por rendijas muy angostas se presentan fenómenos de interferencia propios de comportamientos ondulatorios. Las distancias entre  interferencias se pueden medir y corresponden a media longitud de onda.  Las mediciones indicaban longitudes de onda de 350 nanómetros para la luz violeta hasta 800 nanómetros para la luz roja.  Un nanómetro es la mil-millonésima parte de un metro o si consideramos el milímetro, el nanómetro seria la millonésima parte del milímetro.

En 1676 Ole Rømer realizó la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz estudiando el movimiento del satélite Ío de Júpiter con un telescopio. La velocidad calculada para su época era de 220.000 kilómetros por segundo, pero ya en el siglo 19 se había medido sobre la tierra una velocidad muy cercana al valor actual que está cercano a los 300.000 kilómetros por segundo.

Conociendo la la velocidad de la luz y su longitud de onda podemos conocer la frecuencia con que cambia las ondas de luz. Esta es del orden 400 a 800 por 10 a la potencia 12. Para tener una idea ya que nosotros estamos acostumbrados a mediciones en kilohercios, megahercios y gigahercios, la frecuencia de la luz seria de 400.000 a 800.000 gigahercios,

A principios del siglo 19 se empezó con el estudio de la electricidad y el magnetismo. Los experimentos de José María Ampere encontraron que la electricidad afectaba el campo magnético y los experimentos de Michel Faraday encontraban que el magnetismo podía crear campo eléctrico. La conclusión era que el campo eléctrico y el campo magnético estaban íntimamente relacionados.  Más tarde, a mediados del siglo 18, un matemático inglés, Clark Maxwell encontró una formulación matemática a los estudios de Ampere y Faraday.

Lo importante de las formulaciones de Maxwell estaba en que se preveía que si un campo eléctrico y magnético variaba frecuentemente entonces este se debería propagar (moverse) en el espacio. De las mismas fórmulas de Maxwell se deducía que la velocidad debería ser de 300.000 K/s lo que coincidía con la velocidad conocida para la luz.

La deducción seria que la Luz era una forma de onda electro-magnética de longitudes de onda y frecuencia conocida pero para comprobar estas deducciones había que encontrar otras ondas electromagnéticas de frecuencia inferior a los 400.000 gigahercio de la luz visible.

El trabajo de los científicos a finales del siglo 19 fue el tratar de producir ondas electromagnéticas de frecuencias bajas utilizando medios mecánicos.  A finales del siglo 19 ya se había logrado ondas electromagnéticas del orden de 10 a 100 y más kilohercios.  Desde esa época se ha estado produciendo ondas electromagnéticas de frecuencias cada día más y más elevadas. La electrónica con sus dispositivos de tubos y transistores permitió superar la barrera de los 100 y más kilohercios, pasando al dominio de los megahercios y actualmente se pueden lograr frecuencias de cientos de gigahercios.

Es como si la humanidad está tratando de alcanzar a producir las frecuencias de la luz visible por medio de osciladores o elementos específicos.  Casi toda la luz visible que conocemos es producida por agitación térmica. La luz de una vela es producida por que la combustión de la vela recalienta el aire circundante y produce luz, el calentamiento de un alambre hace que este empiece a producir luz. Una chispa recalienta el aire y se produce luz.

La luz generada por agitación térmica es desordenada, contiene luz de diferentes frecuencias (colores). La luz en principio es generada por los diferentes átomos que debido al  aumento de temperatura empiezan a emitir ondas electromagnéticas a la frecuencia de la luz.  Como los átomos están distribuidos al azar, la polarización de la luz emitida está en todas las direcciones, es decir caótica y azarosa. En este caso decimos que la luz (o radiación electromagnética) es “no coherente”.

En cambio cuando usamos un transmisor de radiofrecuencia, este lo acoplamos a una antena en la cual la energía eléctrica del transmisor se convierte energía electromagnética que se propagara desde la antena hacia el espacio. En este caso la frecuencia radiada es una sola y la polarización del campo eléctrico y magnético está determinada por la orientación de la entena.  Para este caso decimos que la radiación es “coherente”.

Teniendo una generación de energía electromagnética “coherente” es posible usarla para que me transporte información a distancia en forma segura. Si la señal portadora fuera no coherente sería muy difícil determina en lado receptor que es información y que es incoherencia de la portadora.

Como hemos dicho antes la humanidad está tratando de producir ondas electromagnéticas de frecuencias cada vez altas y acercándose a las frecuencias de la luz visible. Pero a medida que aumenta la frecuencia la longitud de onda se reduce y la magnitud de los componentes físicos usados para generar las frecuencias se aproximan a la longitud de onda utilizada. Esto hace casi imposible tener osciladores para frecuencias arriba de una decena de gigahercios.

Para lograr frecuencias superiores debemos entonces recurrir a los mismos átomos. La forma es tener a los átomos en una forma todos ordenados y luego excitarlos para que generen luz. Esta es la idea de los dispositivos LASER “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.

Los Laser producen luz en una frecuencia única (monocromático) y las ondas electromagnéticas están polarizadas en una sola dirección. También decimos que la luz producida por un Laser es luz coherente.

Un medio en los cuales los átomos están muy ordenados es el interior de los materiales semiconductores usados en la industria electrónica. Entonces si podemos estimular a un material semiconductor (germanio silicio) para que emita luz esta puede ser también coherente. Este es el origen de los diodos emisores de luz que como la luz es equivalente a la producida por los laser se denominan LED “light emited diode”.

 

 

 

 

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